鋼結構件焊接變形控制與焊接工藝的應用

占建軍

（中國電建集團江西省水電工程局有限公司，南昌 330000）

1 引言

目前，在鋼結構構件生產(chǎn)和鉚焊件的加工中，常利用兩種相同或不同的型材進行組焊，得到所需要異型材或異型結構件。而這些構件在焊接過程中都存在一定的焊接變形，若焊接變形不予以及時矯正，不但影響鋼結構部件的加工、運輸與安裝，還會在一定的程度上改變鋼結構件的受力狀況，從而導致鋼結構存在安全隱患。本文針對鋼結構件在焊接過程中的反變形、焊接次序、焊接方式做以下分析。

2 電焊鋼板對接焊接技術工藝

2.1 工藝流程圖

目前，所有鋼結構廠均采用傳統(tǒng)技術實現(xiàn)厚板（t≤20 mm）全滲透對接。對接焊前，鋼板應斜切；埋弧焊前，需要進行碳弧氣刨和清根。該過程相對復雜，生產(chǎn)效率低，此外，在去除根部時可能會產(chǎn)生噪聲、灰塵、弧光和其他污染。

2.2 焊接裂紋產(chǎn)生的原因

在焊接中，當焊件冷卻到200～300 ℃以下時易產(chǎn)生根部裂紋，這是一種冷裂紋，并且裂紋主要在焊接線基材側產(chǎn)生，有延伸傾向，方向為縱向。淬硬傾向氫的作用、和焊接應力是冷裂的3 個原因。

2.2.1 淬硬傾向

鋼板采用30 號鋼，硬化傾向小，焊接性好，不是冷裂紋的主要原因。

2.2.2 氫的作用

使用的焊接材料要嚴格烘干，因為工廠環(huán)境濕度高（海洋氣候），焊接過程中焊縫中會殘留少量氫氣，但含量低，不是冷裂的主要原因。

2.2.3 焊接的應力

對于厚度大的鋼板，焊接時厚度方向的溫度分布不均勻。焊接側在加熱時膨脹很大，而另一側幾乎不膨脹或根本不膨脹。在焊接后的冷卻過程中，發(fā)生鋼板厚度方向上的不均勻收縮現(xiàn)象，引起兩個接頭之間的角度變形，這導致根部承受大的拉應力[1]。因為焊縫縱向收縮，兩塊鋼板趨向于外彎成弓形，但實際上焊縫把兩塊鋼板連成整體，從而在焊縫中部產(chǎn)生橫向拉應力，在兩端則產(chǎn)生橫向壓應力。由于在開展作業(yè)時焊縫的冷卻時間存在差異，先焊的焊縫已凝固，并具備一定的強度，將阻礙后焊焊縫在橫向的自由膨脹，使其產(chǎn)生橫向的塑性壓縮變形。

當焊縫冷卻時，由于后焊焊縫在收縮時受到已凝固焊縫的限制產(chǎn)生橫向拉應力，并在先焊部位焊縫內(nèi)產(chǎn)生橫向壓應力。橫向收縮引起的橫向應力與施焊方法及先后次序有關，焊縫的橫向殘余應力是上述兩種原因產(chǎn)生的應力的合成。

3 焊接變形的分類和危害

在焊接時，構件在焊接部位的高溫加熱和急速的冷卻過程中，焊縫及材料縫隙由于熱反應導致整體材料變形，焊接變形的分類多樣，一般按照面的內(nèi)外變形可分為面內(nèi)變形和面外變形。焊接變形的面內(nèi)變形一般包括焊縫的縱向變形、橫向收縮變形和焊縫回轉變形，面外變形包括角變形、彎曲變形、扭曲變形、失穩(wěn)波浪變形等各種變形。

焊接變形的危害包括影響焊件的裝配精度及使用性能。在焊接過程中，由于溫度等因素的不易控制，極易導致焊接中配件的精準度缺失，影響配件在使用過程中的效果與質(zhì)量，使得整個鋼結構呈現(xiàn)變形的趨勢，從而影響其使用效果。其次，焊接變形同樣會導致裝配質(zhì)量的降低，最終使得產(chǎn)品報廢。焊接變形影響鋼結構的質(zhì)量，影響焊件的美觀及增加制造成本[2]。

4 焊接工藝的應用

4.1 通過反變形的方式來控制

所謂的反變形法，即按照日常操作經(jīng)驗與理論相結合將焊接過程中鋼結構可能出現(xiàn)的具體變形進行測算，進行預算后，通過給予一個相反方向的力或者變形使其彌補，從而保證鋼材的正常使用。目前，利用反變形方法控制焊接變形已經(jīng)成為較為成熟并且實用性較強的方式之一，通過反變形，可以較好地保證焊接品質(zhì)，提升焊接質(zhì)量，從而促進焊接工藝的完善。

例如，某塔機標準節(jié)主弦桿、塔頭主弦桿都是由兩段規(guī)格不同或相同的角鋼對扣焊接而成。塔機對生產(chǎn)的各種焊接產(chǎn)品的要求較高，使用標準也較高，如何巧妙地應用反變形方式，杜絕焊接變形，提升產(chǎn)品質(zhì)量是焊接中需要考慮的重點問題。

1）制作簡易工裝，在工裝中部預先安置墊塊。墊塊的高度一般由焊工師傅根據(jù)角鋼焊接后的變形量確定。

2）在施焊前，利用工裝的結構，通過液壓千斤頂在角鋼兩端向角鋼的背部施加一定的應力，使角鋼在施焊前達到所需反向彎曲變形，并使角鋼固定。

3）焊接過程中，在兩段角鋼的鏈接部位，焊縫長度一般約為300 mm，焊完余下的焊縫，最終實現(xiàn)全焊，達到產(chǎn)品所需的設計要求。

在特種設備制造行業(yè)中，有很多型材的規(guī)格達不到設計要求，也是通過焊接來獲取所需的型材。兩段角鋼的對扣焊接，如果不預先施加彎曲變形的力，因焊接彎曲、扭曲等缺陷，使得焊接部件無法進行下道工序，即使焊后再調(diào)直、校正，也很難達到設計的要求，而且有時還會破壞型材原有的受力形式，故在施焊過程中消除焊接變形是當前最理想的工藝。

4.2 通過合理的焊接次序和方向，控制焊接變形

例如，某塔機支座的主體是由上蓋板、下蓋板、24 塊大小不一的所要焊接的一側具有坡口立板、4 塊圍板和4 段座圈構成。焊接時的主要步驟如下：

1）在支座的一側集中對下蓋板和立板進行焊接，期間不能間歇，一次焊接完成。

2）以同樣的方式對支座另一側的上蓋板和立板進行焊接。

3）焊接座圈，首先，對內(nèi)圈進行段焊，焊縫長度、間隔長度控制在100 mm 以內(nèi)；其次，對外圈進行統(tǒng)一焊接；最后，對間隔進行焊接[3]。

4）依次焊接立板和圍板，焊接完所有的焊縫。

在焊接過程中，由于受力及壓縮等原因會導致焊縫受到各種外在力量的影響，焊縫會發(fā)生縱向壓縮，從而導致鋼板變形。由于焊接接頭通過焊縫連接成為一個不可分割的整體，在焊縫中部會產(chǎn)生橫向拉應力，焊縫兩端會出現(xiàn)橫向壓應力。

所以，在焊接支座的過程中，對下蓋板焊接時，使下蓋板整體向內(nèi)突起，焊接上蓋板時，因為同樣的原理通過立板將力傳遞給下蓋板，使下蓋板的變形得到了恢復。通過焊接座圈使焊接蓋板時的殘余應力得以消除，從而抵消在焊接過程中發(fā)生的變形。因此，在鉚接的過程中，根據(jù)經(jīng)驗預留的縫隙大小，對以后焊接變形量的大小有直接的影響，如果沒有預先留下合理的縫隙，只是單一地通過焊接順序來控制焊接的變形，是無法實現(xiàn)的。

4.3 通過對稱焊接的方式控制焊接變形

1）從有平衡重的一端開始焊接。焊接封板時，要保證在封板的兩側依次交替焊接，直到整個側面焊完，每道焊縫、間隙的長度約控制在300 mm。

2）翻轉平衡臂，以同樣的方式固定，焊接另一側的封板時，采用對稱焊接、統(tǒng)焊的方式一次焊接完成。

3）再將開始的那側平衡臂留下的焊縫焊接完成。

焊接封板也是利用了反變形的原理。在一側段焊，使其發(fā)生一定量的形變，焊接另一側采取的是統(tǒng)焊的方式，也會發(fā)生同樣的形變，最后焊接預留下的間隙，從而保證了在兩側的變形量一樣，相互抵消，達到了焊接的目的。

在鋼結構的生產(chǎn)和焊件的加工中，根據(jù)不同的結構件，對焊件的質(zhì)量有不同的要求。通過對焊接過程中的問題進行分析和探討，將理論與實踐相結合，焊接變形能從結構設計和工藝措施兩方面來加以控制。首先，對于其結構設計，可以采用反變形方式，通過彌補焊接過程中出現(xiàn)的問題，從而有效解決焊接變形問題，提高焊接效率，保證焊接質(zhì)量；還可以通過使用不同的焊接方式巧妙應對焊接過程中出現(xiàn)的各種問題，從而有效地提升焊接質(zhì)量。

4.4 焊接應力的消除方法

雖然通過上述措施能夠控制焊接應力，但由于工程構件具有特殊性，焊接作業(yè)結束后仍然具有較大的應力，對此，應采取相應措施，達到進一步消除構件殘余應力的目的。

1）通過對零件整平消除應力。在切割鋼板時，切割邊受到的熱量比較大且冷卻速度快，所以，切割邊緣的收縮應力較大。應力釋放后，將導致中、薄板切割后發(fā)生扭曲變形。對于厚板，其抗彎截面大，無法產(chǎn)生彎曲，但收縮應力存在是客觀的。因此，在整平時應反復碾壓零件的切割邊緣，有利于消除收縮應力。

2）利用預熱法控制焊接應力，構件本體上溫差越大，焊接殘余應力也越大。焊前對構件進行預熱，能減小溫差和減慢冷卻速度，兩者都能減少焊接應力。

3）利用振動法消除應力，當構件承受動載荷應力達到一定的程度，在經(jīng)過多次循環(huán)加載后，結構中的殘余應力會漸漸下降，也就是說通過振動法能夠消除部分焊接應力。振動法具有設備簡單、成本少、時間短的優(yōu)勢，高溫回火時不會發(fā)生氧化，已經(jīng)在生產(chǎn)中得到應用[4]。

4）利用高溫回火消除應力，因為構件殘余應力的最大值一般能達到該材料的屈服點，金屬的屈服點則會在高溫環(huán)境下減小。所有將構件的溫度升高至某一定數(shù)值時，應力的最大值也應降低至該溫度下的屈服點數(shù)值[5]。

5）通過超聲波振動消除應力。所謂超聲沖擊，即通過大功率超聲波促使超聲波工具頭以20 000 次/s 以上的頻率沖擊金屬物體表面，受到超聲波高頻、高效和聚焦下的大能量影響，金屬表面將發(fā)生壓塑變形，并且超聲沖擊波使得最開始的應力場發(fā)生改變，產(chǎn)生了壓應力，并使被沖擊部位得到強化。該方法能夠有效消除應力。經(jīng)測試，焊接殘余應力的消除率超過75%。

6）利用噴砂除銹工序消除應力。噴砂除銹時，噴出的鐵砂束壓力高達2 500 MPa。通過鐵砂束反復、均勻地沖擊構件焊縫及其熱影響區(qū)，不僅可以取得除銹效果，而且有利于消除構件應力。

7）構件消除殘余應力后的測量。按照上面的措施消除構件焊接殘余應力后，利用盲孔法測量殘余應力，具體在電渣焊和埋弧焊焊縫測量。

5 結語

焊接變形量是不可免的，但其大小在一定程度上是可以控制的。要實現(xiàn)快速焊接，節(jié)約經(jīng)濟成本，提高產(chǎn)量，必須通過簡易的、有效的方式來控制焊接變形量，在鉚接過程中預留合理的焊接縫隙、利用反變形法和選擇合理的焊接工藝等綜合工藝是當前比較理想的控制焊接變形的方法。隨著鋼結構加工業(yè)的發(fā)展，控制焊接變形將會有更科學的方法，還需要不斷地去探討和研究，提升焊接過程中的整體效率，促進焊接技術的發(fā)展，并且對焊接工藝進行改革，減小焊接變形。